518 Раздел второй. ПроАtышленные химико-технологические процессы

клеток. В частности, с использованием иммобилизованных дрож­ жевых клеток получают спирт из глюкозы . Разработан способ

получения преднизона и преднизалона из кортизона и гидрокор­

ти зона.

На основе ферментативного синтеза предусматривается, в част­

ности, организацин промытленного лроизводства простагланди­

новбиологически активных веществ, имеющих большую перс­

пектину применения в медицине, а также в животноводстве и

ветеринарии. Создается также технология ферментативного ката­

лиза целлюлозы, обеспечивающая выходсахаровболее 90% от ис­

пользованной целлюлозы. Осуществление этого лроцесса позво­

лит в несколько раз увеличить производство ценных продуктов

идаст большой экономический эффект.

§17.3. Основные тенденции развития биотехнологии

Всовременных условиях биотехнология становится важней­ шим фактором повышения эффективности общественного произ­

водства и дальнейшего ускорения научно-технического прогресса. Биотехнология все теснее смыкается с химической технологи­

ей и направлена в первую очередь на удовлетворение потребнос­

тей человека в продовольствии , медикаментах, энергии , сырье

и охране окружающей среды.

Биотехнология находит широкое применение в агропромыш­

ленном, химико-лесном и металлургическом комплексах, горно­

рудной промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Сушественно возрастает значение биотехнологии в широком ис­ пользовании биомассы как возобновляемого источника энергии

и сырья.

Активно развивается техническая биоэнергетика 1, базирующа­ яся на npoueccax био- и термохимической конверсии различных видов биомассы в газообразное, жидкое и твердое топливо.

Во многих странах становится традиционным получение био­ газа анаэробной микробиологической конверсией отходов пище­

вой промышленности, животноводческих ферм, активного ила

очистных сооружений и коммунальных отходов.

Россия располагает балыним потенциалом перви•Jного энерге­ тического сырья для биоэнергетики. В первую очередь, это отходы

лесопромышленного комплекса, сельскохозяйственного производ­

ства и бытовые отходы мегаполисов.

1	Био эне рг ет икасовокупносп, процессов nреобразования энергии в биоло­
I	ичсских системах, а также раздел биологии , изучающий эти npoucccы.

Глава 17. Особенности процессов биотехнологии

519

К концу 1990-х годов суммарный ежегодный объем органичес­ ких отходов в России по разным отраслнм хозяйства составлял не менее 300 млн т в пересчете на сухое вещество. Их переработка

с использованием существующих технологий биоконверсии и тер­

мохимической конверсии потенциально позволяет получать до

100 млн т условного топлива (т у.т.) в год, (что эквивалентно при­ мерно 70 млн т нефти), в том числе до 75 млн т у.т. в форме био­ газа и до 25 млн т у.т. в форме этанола.

Одно из перспективных направлений создания новых видов

газообразного топливаполучение водорода. Большие количества

молекулярного водорода получаются при промышленном микро­

биологи•Jеском производстве ацетона и бутанола. Принципиально новые возможности открывает использование биофотолиза воды

системой двух культур микроорганизмов - микроскопических

водорослей и анаэробных бактерий :

свет

анаэробный

npouecc

Значительные потенциальные возможности имеет получение этанала из биомассы ее ферментацией. Сушествуюшие нацио­ нальные программы ряда стран по производству этанала базиру­

ются на использовании традиционного сырья: кукурузного зерна

(США), багассы (Бразилия). Разрабатываются программы по по­

лучению этанала из богатых углеводами отходов ряда производств, например молочной сыворотки - отхода сыроварения.

Однако одним из наиболее перспективных является биотех­

нологический способ получения этанала из гидролизатов целлю­

лозосодержашего сырья. При сбраживании гидролизатон древесины можно получить этанол, кормовые дрожжи, фурфурол, уксусную кислоту и другие ценные продукты . В ряде стран, в том числе и в России, интенсивно ведутся исследования и разработка методов и технологии мягкого гидролиза целлюлозы ферментами.

Получение спиртов биоконверсией целлюлозы с целью исполь­

зования их как топлива или сырья для химической промышленно­

сти являются важной составной частью развивающейся техничес­

кой биоэнергетики.

Одна из важнейших задач, обеспечивающих успешное разви­

тие технической биоэнергетики,- расширение исследований бак­ териальной газификации остаточной нефти в скважинах и торфа, конверсии биомассы водной флоры в биогаз, жидкие виды топлива

520 Раздел второй. Промыщленные хшшко-технологические процессы

и водород, прямого биосинтеза этанала из целлюлозы и получе­ ния водорода биоконверсией с использованием солнечной энергии.

К числу наиболее перспективных относятся технологические

процессы получения кормовой микробной массы с использовани­ ем в качестве ингредиентов питания бактерий природного газа и водорода. Для синтеза кормовой биомассы на водороде наибо­ лее предпочтительны водородаокисляющие бактерии. Институтом

биофизики Сибирского отделения РАН разработана технология

микробиологического синтеза белка кормового и пищевого на­

значения на основе хеl\юсинтезирующих водородаокисляющих

микроорганизмов с получением биомассы карбоксидобактерий в интенсивной массовой культуре. Карбоксидобактерии - быст­ рорастущая группа хемоавтотрофных микроорганизмов, синтези­ рующая с использованием водородаидиоксида углерода биомассу

с высоким (до 75%) содержанием полноценного по аминокислот­

ному составу белка, отличающаяся высокой устойчивостью к воздей­

ствию оксида углерода. Совместно с Институтом химии и химичес­ кой технологии СО РАН разрабатывается технология выращивания карбоксидобактерий на синтез-газе, получаемом при газификации углей Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса.

К числу приоритетных проблем современной биотехнологии

относится также разработка научных основ биологических мето­ дов добычи и переработки минерального сырья и извлечения из него цветных и благородных металлов.

Успешно развивается бuогеотехнология металлов, в рамках ко­

торой разрабатываются сiюсобы извлечения металлов из руд, кон­ центратов, горных пород и растворов под воздействием бактерий или их метаболитов при нормальном давлении и температуре от

278 ДО 353 К.

Бактерии, способные выщелачивать металлы из руд, называют хемолитотрофньини, т. е. буквально <<Поедающими скалы>>. Хемо­

литотрофные бактерии используют неорганические вещества в ка­

честве окисляемых субстратов -доноров электронов. Окисляемый

неорганический субстрат служит для этих бактерий и источником энергии, и восстановителем. Такими субстратами могут быть молекулярный водород (водородные бактерии), оксид углерода

(карбоксидо-бактерии), восстановленные соединения серы (тио­ новые бактерии), соединения азота (нитрофицирующие бактерии).

Окислителем во всех персчисленных случаях является молекуляр­

ный кислород.

Для получения цветных и благородных металлов используют

сульфидные руды. В основе биогеотсхнологии извлечения металлов из этих руд лежит процесс бактсрисuтьного окисления сульфидных

Глава 17. Особенности процессов биотехнологии

521

минералов и элементов с переменной валентностью S(O), S(II), Fe(II), U(IV), Cu(I) в кислой среде, обеспечивающий вскрытие и перевод из нерастворимой сульфидной формы в растворимую

сульфатную. Бактерии, осуществляющие эти реакции, получают

энергию вследствие окисления неорганических веществ, а угле­

род, необходимый для жизнедеятельности микроорганизмов,- из

неорганических его форм (С02, НСО}, Со~-).

При бактериальном окислении сульфидных руд происходит перенос электронов от железа или серы на кислород. Как правило,

по мере окисления вещества его растворимость увеличивается.

Примерам может служить реакция окисления Fe (II) бактериями

Thiobacillus ferrooxidans {Т. ferrooxidans)

Fe2+ -7 Fен + е-

4е- + 0 2 + 4Н+ -7 2Н20

Энергия для роста Т. ferrooxidans получается вследствие окис­

ления либо железа, либо серы. При этом ион Fe2+ при участии бактерии превращается в ион Fe3+. Из соединений серы

Т. ferrooxidans может окислять сульфиды, серу и вещества, содер­

жащие ионы тиосульфата (S20i-) или тетратионата (S4o;-), в ионы

сульфата (SOi-). Таким образом, Fe(II) окисляется бактериями до

Fe(III), асера-до серной кислоты по схеме

S0 + 1,5 0 2 + Н20 -7 H 2S04 •

Углерод T.ferrooxidans усваивает автотрофно из диоксида угле­ рода, содеrжащегося в атмосфере. Ионы Fe3+, взаимодействуя с продуктами выщелачивания сульфидных минералов, образуют

хорошо растворимую сернокислую медь.

При обработке урановой руды на соединения урана бактерии

непосредственно не воздействуют. Их роль заключается в образо­

вании ионов Fен из пирита и содержащихся в растворе ионов Fe2+. Ионы Fe3+ активно взаимодействуют с минералами, в составе ко­ торых есть уран U(IV), и превращают его в U(VI), растворимый

в слабой серной кислоте.

Решены основные теоретические вопросы биогеотехнологии

таких металлов, как медь, никель, цинк, кобальт, кадмий, мышьяк и некоторые другие элементы. Процессы бактериального выщела­

чивания широко используют для получения меди, урана и золота.

В США, например, получают таким образом более 10% меди от

общего объема добычи этого металла.

522Раздел второй. ПроNЫlШlенные химико-технологические процессы

ВРоссии и ряде других стран успешно развиваются также ме­ тоды бактериально-химического выщелачивания сложных медных,

цинковых, никелевых, медно-цинковых, олово- и золотосодержа­

щих мышьяковистых концентратов.

Использун микроорганизмы и водоросли, можно извлечь из

разбавленных растворов до 100% свинца, ртути, цинка, меди, ни­

келя, кобальта, марганца, хрома, урана и некоторых других эле­

ментов, до 96-98% золота и серебра, до 84% платины, 93% селена. Бактериальные полисахариды эффективны для извлечения из

растворов радиоактивных элементов, а также меди и кадмия.

Биогеотсхнология позволяет вовлечь в переработку огромные

запасы бедных и сложных по составу руд и отходов, забалан­ совые, а также расположенные на глубинах месторождения, обес­ печивает комплексное и более полное, по сравнению с класси­ ческими методами добычи металлов, использование минераль­

ного сырья.

В целом же проблему переработки сложных комплексных руд

можно решить только комбинированными методами, использую­ щими микробиологические и химические процессы.

Бактерии способствуют растворению соединений серы, в том

числе и органических, содержащихся в каменном угле, что делает

возможным освобождать богатый серой уголь от этой вредной при­ меси до сжигания или термической переработки.

Установлено, что с помощью бактерий возможно уменьшение содержания метана в атмосфере угольных шахт. Для этой цели

используют бактерии, интенсивно окисляющие метан до диокси­ да углерода и способные развиваться на весьма простых минераль­

ных питательных средах. В условиях угольной шахты такие мик­ роорганизмы за 2-4 недели окисляют до 70% метана.

Весьма перспективнан область биогеотехнологиииспользо­ вание микроорганизмов и их метаболитов для повышения нефте­ отдачи нефтяных месторождений.

Разработанные процессы биотехнологии ориентированы на

выработанные и истощенные нефтяные месторождения с экстре­

мальными характеристиками (высокотемпературные пласты, вьr­ сокоминерализованные пластовые воды, высоковязкие нефти).

Псрспективным биотехнологическим процессом является пре­

вращение лигнина в ароматические соединения, в первую оче­

редь, в бензол, толуол и кислоты. Вовлечение лигнина в химичес­ кую переработку открывает также новые пути использования этого возобновляемого химического сырья.

Олефины, жирные кислоты, моносахар!,fды и другие веще­

ства также могут быть получены биохимической переработкой

Глава 17. Особенности процессов биотехнологии

523

промышленных отходов (резин, пластмасс), что одновременно ре­

шает и экологические задачи.

Чрезвычайно важна роль биотехнологии в получении биодег­

радируемых полимерных продуктов и материалов для использо­

вания их, в частности, при изготовлении пленочных покрытий

в сельском хозяйстве и полимерной тары.

Биохимические методы очистки основаны на способности

микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соеди­

нения. Разложение веществ происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами под влиянием отдельных соеди­

нений, или групnы веществ, присутствующих в очищаемых газах.

В биофильтрах очищаемый газ nропускают через слой насад­

ки , орошаемой водой для создания необходимой влажности , дос­

таточной для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов.

Насадкой служат nриродные (торф, почва, комnост и др.) или ис­ кусственные материалы. При использовании искусственных мате­

риалов на них nредварительно орошением водой или суспензией

активного ила выращивают биологически активную nленку.

В биоскрубберах очищаемый газ промывают водной суспен­ зией активного ила. Загрязняющие компоненты улавливаются аб­

сорбентом и расщепляются микроорганизмами активного ила.

Биохимические методы очистки газов малоотходны и эколо­

гически безвредны, просты в апnаратурном оформлении и тех­ ническом обслуживании, отличаются низкой стоимостью и до­

ступностью конструкционных (черные металлы, дерево, бетон, nолимерные пленки и др.) и биологически активных (активный

ил, nочва, торф, компост и др.) материалов.

Вопросы мя повторения

исамостоятельной проработки

1.Каковы основные особенности npoueccoв биотехнологии по срав­ нению с другими химико-технологическими nроuессами?

2.В чем различия микробиологического синтеза, генетической ин­

женерии и инженерной энзимологии?

3.Какова роль биотехнологии в широком использовании биомассы

как возобновляемого источника энергии и сырья?

4.Каковы возможности биотехнологии, используемой для удовлетворения потребностей человека в продовольствии и медикаментах?

5.Какие задачи решает биоrеотехнология?

6.Что такое биоэнергетика?

7.Приведите примеры исnользования биотехнологии в отраслях на­

родного хозяйства.

8.Каковы nерспективные тенденuии развития биотехнологии?